Список выполненных НИОКР

Проведение исследований и разработка способов и технологий повышения эффективности распыла жидкого топлива и горения топливно-воздушных смесей в авиационных двигателях

Ключевые слова моделирование распыла топлива, численное моделирование распада топлива, Лагранжев подход, VOF-метод, пневматическая форсунка, численное моделирование распыла топлива, распыл топлива, численное моделирование, численное моделирование горения, численное моделирование горения в модельной камере сгорания
Программное обеспечение ANSYS/CFX
Период проведения 2014-2017 гг.

Проект выполнялся в рамках Федеральной целевой программы 1.3 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

Индустриальным партнером в рамках проекта ФЦП выступило конструкторское бюро «ОДК-Авиадвигатель» (входит в состав АО «Объединенная двигателестроительная корпорация») – конструкторское бюро по разработке газотурбинных двигателей для авиации, а также промышленных газотурбинных установок и электростанций на базе авиационных технологий.

Сотрудники Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ в рамках проекта были привлечены к решению следующих ключевых задач:

  • численное моделирование процессов распыла топлива при различных конструктивных параметрах форсунки и форсуночного модуля;
  • численное моделирование процесса горения топлива в модельной камере сгорания для подтверждения базовых гипотез.

В рамках работы исследован принцип распыла топлива с учетом сообщения топливу униполярного заряда. Возникающее электрическое поле улучшает процесс дробления топливной пленки на капли при выходе из форсунки.

Многовариантные исследования проводились на основе численного моделирования задач гидроаэродинамики для многофазной среды. В процессе работы проведен анализ зависимости характера распыла от функционирования отдельных конструктивных элементов.

Данные моделирования

Область

1/3 расчетной области

Количество ячеек

~ 170 000 000 (510 млн ячеек на всю область)

Модель

DES-модель турбулентности, двухфазная среда

Суперкомпьютерный центр «Политехнический»

Количество ядер

1960

Время процесса

0.0025 с

Время счета

~ 72 часа

Моделирование первичного распада  пленки на основе VOF метода

Образование первичного распределения капель на выходе форсунки

Моделирование вторичного распада капель на основе  подхода Лагранжевых частиц

Результаты моделирования были верифицированы экспериментом, демонстрирующим распределение массовой доли и диаметра капель в сечении на выходе из форсунки. Сравнение результатов расчета с результатами эксперимента показало качественно высокую степень совпадения. Незначительные отличия вызваны введенными в модель упрощениями и не влияют на глобальный характер зависимостей.

На основе полученных данных было осуществлено численное моделирование экспериментальной пятигорелочной камеры сгорания с учетом конструктивных особенностей КС:

  • форсунки с учетом геометрии завихрителей;
  • первичные и вторичные каналы подачи окислителя;
  • каналы и отверстия охлаждения;
  • система подачи топлива.
Численное моделирование экспериментальной пятигорелочной камеры сгорания
Специфика расчетных сеточных моделей Специфика расчетных сеточных моделей

Моделирование (Суперкомпьютерный центр «Политехнический»)

Количество расчетных ядер

1960

Время счета

~ 3 часа

Количество ячеек расчетной численной модели

152 000 000

Поле скорости.

Поле температур.

Полученные в результате трехлетнего проекта разработки были исследованы и экспериментально верифицированы в КБ «ОДК-Авиадвигатель». Результат стало появление новой технологии, технологическое ноу-хау и получение принципиально новых аппаратов – такой форсуночный модуль был разработан в России впервые.

Помимо всего прочего, эти результаты имеют и экологическое значение: авиационные двигатели, конструируемые с использованием полученных технологий, будут демонстрировать лучшие показатели сгорания топлива, что снизит объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.